摩擦摆隔震混凝土框架结构的有限元分析

杨海旭 王巧玲

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

摩擦摆隔震混凝土框架结构的有限元分析

杨海旭 王巧玲

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

对一幢四层摩擦摆隔震框架结构进行ABAQUS有限元模拟，将隔震前后结构的动力反应进行了对比，分析结果表明：摩擦摆隔震支座可有效降低上部结构的地震响应，具有使上部结构整体平动的良好隔震性能。

摩擦摆，框架结构，有限元分析

摩擦摆隔震技术在国内外得到广泛的应用，取得了一定的社会效益，具有广阔的发展前景。摩擦摆隔震结构部分已经受地震的考验未发生破坏，而且在中国已有隔震结构投入使用中，获得了良好的社会效益[1]。

1 隔震原理

(1)

(2)

2 有限元模拟分析

2.1 摩擦摆隔震支座的有限元数值模拟

本文采用ABAQUS有限元软件对摩擦摆支座进行数值模拟，实体单元建模依次为上承板、滑块、聚四氟乙烯涂层、下承板四部分，如图2所示。其中，滑动曲面和聚四氟乙烯滑动面采用相同的曲率半径R=2 m。

对于上承板和滑块的接触连接属性采用平移连接属性(join)[5]，这个连接的属性就是两个连接点之间不允许发生相对平移(可以发生各方向的相对旋转)，即运动约束为：u1=0，u2=0，u3=0。下承板弧面和聚四氟乙烯涂层弧面的接触属性[6]：在切向方向上，本论文采用库仑摩擦，使用确定的摩擦系数表示接触面之间的摩擦特性。在法向方向上，须满足非穿透的物理条件，本文中接触压力和间隙的关系选择“硬接触”(hard contact)。

注：主面的网格要比从面的网格要粗一些，但过于粗糙的网格会使ABAQUS难以确定接触状态。在建模过程中先设置一个重力阶段，使模型中的接触关系先建立起来，随后设置地震阶段模拟分析隔震系统的地震反应，这样可以使模型计算更容易收敛。

2.2 计算实例与结果

取一个4层的钢筋混凝土框架结构，简化成4个集中质量的系统。钢筋混凝土框架各层高为4.5 m。根据GB 20010-2010混凝土结构设计规范[7]附录C中混凝土强度等级为C40，ρ=2 400 kg/m3，Es=3.25×1010N/m2，v=0.3。钢筋ρ=7 800 kg/m3，Es=3.00×1011N/m2，Ep=4.4×108N/m2，v=0.3。柱截面尺寸为600 mm×600 mm，梁截面尺寸为300 mm×600 mm。作为对比研究，将框架固结于基础作有限元模拟分析，见图3。表1为隔震结构在地震加速度为αmax=2 m/s2(设防烈度)，αmax=6 m/s2(罕遇烈度)在摩擦系数分别为μ=0.05，μ=0.075，μ=0.10，μ=0.125工况下隔震层的最大位移。图4为μ=0.10工况下该混凝土框架结构各层隔震前后的加速度放大倍数对比分析。

从表1、图4中得知：隔震层的位移随着摩擦系数的增大而逐渐减小，吸收的地震能量受到限制，使得上部结构的动力反应却逐渐增大。较小的摩擦系数有利于摩擦摆隔震支座发挥良好的隔震性能。由于篇幅限制，只将EL-Centro波罕遇地震烈度(加速度为0.6g)作用μ=0.05工况下的计算结果分析如下：图5为该地震作用下摩擦摆的最大滑动位置，表2为上部结构各层最大加速度的隔震前后对比，图6、图7分别为上部结构顶层隔震前后的相对位移曲线、绝对加速度曲线。

表1 隔震层的最大位移

mm

表2 罕遇地震下各层最大加速度

m/s2

由表2、图6、图7分析可得，摩擦摆使主体结构的位移、加速度幅值得到有效控制，隔震效率可达80%以上，相比于非隔震结构，隔震效果比较理想。通过隔震层大大消耗了地震能量，有效抑制了地震能量向上部的传递，达到了上部结构整体平动的良好隔震效果。

3 结语

1)摩擦摆隔震框架结构的加速度、速度的减小程度，说明摩擦摆凭借其较小的水平刚度消耗地震能量的输入，降低上部结构的地震反应，具有较好的隔震性能，且这种摩擦摆具有较高的复位能力和稳定性。2)表1中，在μ=0.05工况下，隔震层的位移由αmax=2 m/s2时的45.8 mm增加为αmax=6 m/s2时的103.5 mm，分析表明隔震结构吸收了大部分的地震能量，故变形主要集中在隔震层。但过大的隔震层位移易造成上部结构的倾覆，对于如何克服该种缺陷，可通过限位装置进一步探讨研究。3)随着摩擦系数的减小，隔震层的位移逐渐增大，大大消耗地震能量，而上部结构的地震反应逐渐减小。摩擦摆隔震支座具有良好的复位功能和振动稳定性，无需附设阻尼向心机构，通过降低主体结构抗震措施降低工程造价，降低地震损失，具有广阔的应用前景。

[1] 龚 健，周 云.摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅱ)——摩擦摆隔震结构的性能分析及摩擦摆隔震技术的应用[J].工程抗震与加固改造，2010,32(4):1-10.

[2] 龚 健，周 云.摩擦摆隔震技术研究和应用的回顾与前瞻(Ⅰ)——摩擦摆隔震支座的类型与性能[J].工程抗震与加固改造，2010,32(3):1-10.

[3] 谢礼立，吕大刚.结构动力学——理论及其在地震工程中的应用[M].第2版.北京：高等教育出版社,2005:550-565.

[4] 杨海旭，郭 迅.高度可调摩擦摆隔震支座的力学性能[J].辽宁工程技术大学学报,2012,1(31):61-64.

[5] 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社,2012:132-250.

[6] 彼得·艾伯哈特，胡 斌.现代接触动力学[M].南京：东南大学出版社,2003:77-134.

[7] GB 20010-2010，混凝土结构设计规范[S].

Finite element analysis of concrete-frame structure based on friction pendulum

YANG Hai-xu WANG Qiao-ling

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

A four-story concrete-frame structure with friction pendulum is built by ABAQUS to compare the seismic dynamic response of structure which has FPS or not by ABAQUS. The results show that friction pendulum isolation bearings can reduce the seismic response of the upper structure and has a good isolation performance to make the upper structure translate integrally.

friction pendulum, frame structure, finite element analysis

1009-6825(2014)11-0041-02

2014-02-07

杨海旭(1973- )，女，副教授； 王巧玲(1987- )，女，在读硕士

TU375.4

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